Catégorie : Science

Etude des courants telluriques sur le Kilauea (Hawaii) // Study of telluric currents on Kilauea Volcano (Hawaii)

Un nouvel article « Volcano Watch » du Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explique à ses lecteurs comment les scientifiques étudient la conductivité sous le Kilauea. Ce travail permettra d’en savoir plus sur le système d’alimentation magmatique du volcan. Le projet a débuté à l’été 2022 et s’achèvera après avoir couvert l’ensemble du volcan en 2023.
Une étude magnétotellurique consiste à mesurer de minuscules perturbations dans les champs magnétiques et électriques (telluriques) naturels de la Terre afin de savoir dans quelle mesure les roches souterraines conduisent l’électricité.
En 2022, les scientifiques ont collecté des données très pointues sur une quarantaine de sites du Parc national des volcans d’Hawaii. En février 2023, une équipe de géophysiciens du Bureau de l’U.S.G.S. à Denver collectera des données sur 65 autres sites dans le District de Puna, le long de l’East Rift Zone du Kilauea. La dernière phase des travaux aura lieu en mai et juin lorsque l’équipe de Denver rassemblera des données recueillies dans tous les sites restants à l’intérieur et à l’extérieur du Parc national.
L’étude magnétotellurique s’appuie sur l’énergie électromagnétique naturelle produite par une combinaison des vents solaires (flux continu de particules chargées émis par le Soleil) qui interagissent avec le champ magnétique terrestre et les impacts de foudre. L’énergie électromagnétique avec des périodes (inverses de la fréquence) comprises entre 1 milliseconde (1 000 cycles par seconde) et 4 000 secondes (21,6 cycles par jour) est enregistrée sur chaque site. Les données avec les plus longues périodes fournissent une mesure de la conductivité électrique à de plus grandes profondeurs.
Le magma sous la surface, ainsi que les systèmes hydrothermaux environnants, conduisent très bien l’électricité, contrairement aux coulées de lave refroidies et solidifiées. Le réseau dense de sites magnétotelluriques du Kilauea collectera des données qui seront utilisées pour cartographier en trois dimensions les zones de stockage du magma.
Les zones de haute conductivité sous la surface montrent où se trouve le magma sous le Kilauea, y compris le réservoir magmatique sommital, et le cheminement du magma entre le sommet et les zones de rift est et sud-ouest.
Le travail de terrain consistera à installer des capteurs pour mesurer les champs magnétiques et électriques terrestres sur chaque site. Pour obtenir des informations à plus grande profondeur, les données doivent être acquises en continu pendant 1 à 5 jours.
Une étude magnétotellurique effectuée en 2002 au sommet et sur l’Upper East Rift Zone du Kīlauea a montré des conducteurs souterrains dans trois zones distinctes à moins de 3 kilomètres de la surface. L’un se trouvait sous la caldeira du Kilauea, un second à 1,6 km au sud de la caldeira et un troisième sous et au sud du Pu’uO’o dans la Middle East Rift Zone. Les zones conductrices au sud du sommet et du Pu’uO’o se trouvaient dans des zones de failles susceptibles de contenir des fluides salins ou hydrothermaux électriquement conducteurs. Les corps conducteurs sous le sommet et Pu’uO’o représentent probablement le conduit entre le réservoir magmatique sommital et l’East Rift Zone qui a alimenté l’éruption en 2002.
Le projet magnétotellurique 2022-2023 couvrira presque toute la surface du Kilauea et permettra aux scientifiques d’obtenir plus de détails sur le système d’alimentation de la zone de rift sud-ouest et de la Lower East Rift Zone qui a alimenté l’éruption dans le District de Puna en 2018. Ces données,s’ajoutant aux données d’un relevé électromagnétique et magnétique aéroporté effectué en 2022 (voir ma note du 7 juin 2022), devraient permettre au HVO d’effectuer une tomodensitométrie très détaillée – CAT scan en anglais – du volcan. Les scientifiques espèrent pouvoir cartographier dans le détail les conduits d’alimentation de l’éruption de 2018 dans le District de Puna.
Vous trouverez plus de détails et des mises à jour sur l’avancement du projet à cette adresse :
https://www.usgs.gov/supplemental-appropriations-for-disaster-recovery-activities/science/2019-kilauea-disaster.
Source : USGS, HVO.

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A new « Volcano Watch » article by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) explains its readers how scientists study subsurface conductivity beneath Kilauea. This work will reveal the volcano’s subsurface magmatic plumbing. The project started in the summer 2022 summer and will be completed over the entire volcano in 2023.

Magnetotelluric sounding is a geophysical technique that measures tiny perturbations in the natural Earth magnetic and electric (telluric) fields to map out how well underground rocks conduct electricity.

In 2022, scientists collected high-quality data at about 40 sites within Hawaiʻi Volcanoes National Park. In February 2023 the team of geophysicists from the U.S.G.S. Denver office will collect data at another 65 sites in the Puna District along Kīlauea’s East Rift Zone. The final phase of the work will occur in May and June when the Denver crew will collect any remaining sites both inside and outside of the national park.

The magnetotelluric sounding method relies upon natural electromagnetic energy from a combination of solar winds (continuous flow of charged particles from the Sun) interacting with the Earth’s magnetic field and global lighting strikes. Electromagnetic energy with periods (inverse of frequency) between 1 millisecond (1,000 cycles per second) to 4,000 seconds (21.6 cycles per day) are recorded at each site. The longer-period data provides a measure of electrical conductivity at greater depths beneath the ground surface.

The magma beneath the surface, as well as the surrounding hydrothermal systems, conducts electricity very well whereas cooled and solidified lava flows don’t. The dense network of magnetotelluric sites on Kilauea will collect data that are used to map the subsurface locations of magma in three dimensions.

Areas of high conductivity beneath the surface show where magma is located beneath Kilauea, including the summit magma reservoir and the pathways from there to Kilauea’s East and Southwest Rift Zones.

The field work will involve setting up sensors to measure the Earth’s magnetic and electric fields at each site. To get information from the greatest depths, data must be acquired continuously for 1 to 5 days.

A 2002 magnetotelluric study of the summit and upper East Rift Zone of Kīlauea volcano showed subsurface conductors in three distinct areas within 3 kilometers of the surface. One was beneath the Kilauea caldera, a second was 1.6 km south of the caldera, and a third was beneath and to the south of Pu’uO’o on the Middle East Rift Zone. The conductive zones south of the summit and Pu’uO’o were within fault zones that may have held electrically conductive saline or hydrothermal fluids. The conductive bodies below the summit and Pu’uO’o likely represent the magma conduit from the summit reservoir to the East Rift Zone that fed the ongoing eruption in 2002.

The 2022-2023 magnetotelluric project will cover almost the entire surface of Kilauea and allow scientists to see more detail about the subsurface plumbing of the Southwest Rift Zone and the lower East Rift Zone that fed the 2018 Puna eruption. These data, combined with the data from an airborne electromagnetic and magnetic survey flown in 2022 (see my post of June 7th, 2022) should give HVO a very detailed computed tomography scan – CAT scan – of the volcano. It is hoped that the subsurface plumbing that fed the 2018 Puna eruption will be mapped in detail.

More details and updates on the progress of the Kilauea subsurface conductivity project can be found here:

https://www.usgs.gov/supplemental-appropriations-for-disaster-recovery-activities/science/2019-kilauea-disaster.

Source : USGS, HVO.

 

Mesure de l’énergie électromagnétique à l’aide d’une boucle de fil de forme ovale de 15 m par 25 m suspendue à 30 m sous un hélicoptère (Source : USGS)

Les nouvelles bactéries du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai // Hunga Tonga-Hunga Ha’apai’s new bacteria

L’éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai ne cesse de surprendre les scientifiques. Il ne se passe guère de semaine sans que de nouvelles découvertes apparaissent.

Rappelons que fin décembre 2014, un volcan sous-marin est entré en éruption dans le Royaume des Tonga, avec des panaches de vapeur et de cendres, ainsi que des projections de matériaux. Les panaches de cendres sont montés jusqu’à 9 kilomètres d’altitude. Lorsque l’éruption s’est finalement arrêtée en janvier 2015, une nouvelle île – qui culminait à 120 mètres de hauteur – s’était édifiée entre deux îles plus anciennes, et les trois édifices étaient visibles depuis l’espace. Le Hunga Tonga-Hunga Ha’apai était la troisième masse continentale à être apparue au cours des 150 dernières années et à avoir résisté pendant plus d’un an aux assauts des vagues. C’était aussi la première à être née dans les régions tropicales,
Au cours de ses sept années d’existence, l’île Hunga Tonga-Hunga Ha’apai a offert aux scientifiques une fenêtre rare pour étudier le développement de la vie sur une nouvelle terre émergée… jusqu’à ce que l’éruption dévastatrice de 2022 la fasse disparaître.
Dans une étude publiée dans la revue mBio, les chercheurs déclarent avoir été surpris par ce qu’ils ont découvert sur la nouvelle île. Au lieu des familles de bactéries censées coloniser l’île dans un premier temps, ils ont trouvé un étrange groupe de microbes provenant probablement des profondeurs. Ils pensaient voir des organismes observés habituellement lors du recul des glaciers, ou des cyanobactéries, des espèces colonisatrices plus classiques. Au lieu de cela, ils ont découvert un groupe unique de bactéries qui métabolisent le soufre et les gaz atmosphériques.
Pour trouver quels microbes s’étaient installés sur la nouvelle île, les chercheurs ont collecté 32 échantillons de sol provenant de diverses zones dépourvues de végétation, depuis le niveau de la mer jusqu’au sommet du cratère de l’île et ses 120 mètres de hauteur. Ils ont ensuite extrait et analysé l’ADN trouvé à l’intérieur des échantillons.
Habituellement, les scientifiques s’attendent à ce que de nouvelles îles soient habitées par des bactéries que l’on trouve dans l’océan ou dans les excréments d’oiseaux. Ce ne fut pas le cas sur Hunga Tonga-Hunga Ha’apai. Les bactéries les plus répandues autour du cône du volcan étaient celles qui ingurgitaient du soufre et du sulfure d’hydrogène. Il se peut qu’elles aient atteint la surface de l’île à travers des réseaux volcaniques souterrains. Sur les 100 premières bactéries détectées par le séquençage, les chercheurs n’ont pas été en mesure de classer 40 % d’entre elles dans une famille bactérienne connue.
Source : Live Science, Yahoo Actualités.

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The Hunga Tonga-Hunga Ha’apai eruption continues to amaze scientists. Hardly a week goes by without new discoveries appearing.

At the end of December 2014, an underwater volcano erupted in the Kingdom of Tonga, with steam and ash plumes, as well as projections of material. Ash plumes rose up to 9 kilometers into the sky. When the eruption finally stopped in January 2015, the new island – which peaked at 120 meters in height – was well established between two older islands, and the three edifices could be observed by satellites. Hunga Tonga-Hunga Ha’apai was the third landmass in the last 150 years to appear and persist for more than a year, and the first in tropical regions,

During its seven-year existence, the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai island gave scientists a rare window to study how life develops on new land masses, until the devastating 2022 eruption blasted it away.

In a study published in the journal mBio., recherches wrote they were surprised by what they found on the new island. Instead of the bacteria families that they expected would first colonize the island, they found a weird group of microbes that likely came from deep underground. They thought they would see organisms observed when a glacier retreats, or cyanobacteria, more typical early colonizer species. Instead, they found a unique group of bacteria that metabolize sulfur and atmospheric gases.

To find which microbes were making the new island their home, the researchers collected 32 soil samples from various non-vegetated surfaces ranging from sea level to the 120-meter-tall summit of the island’s crater, before extracting and analyzing the DNA found within.

Usually, scientists expect new islands to become populated with bacteria found in the ocean or in bird droppings. However, the most prevalent bacteria around the volcano’s cone were those that chowed down on sulfur and hydrogen sulfide gas; and they may have drifted to the island’s surface through underground volcanic networks. Of the top 100 bacteria picked up by the sequencing, the researchers were unable to classify 40% into a known bacterial family.

Source : Live Science, Yahoo News.

Source: Tonga Services

Surveillance des volcans sous-marins // Monitoring of underwater volcanoes

Comme je l’ai écrit précédemment, l’éruption du 15 janvier 2022 du volcan sous-marin Hunga Tonga-Ha’apai a été exceptionnelle par sa puissance et son intensité. Aujourd’hui, les scientifiques réalisent qu’elle aura des répercussions pour les centaines de volcans sous-marins qui parsèment les océans de la Terre. Un volcanologue néo-zélandais a déclaré fort justement : « L’éruption du Hunga met en évidence un nouveau type de volcan et de nouvelles menaces sous la surface des océans. »
Très peu de volcans sous-marins font l’objet d’une surveillance digne de ce nom. Parmi eux figure l’Axial, à quelques centaines de kilomètres au large de la côte de l’Oregon et qui est étudié depuis les années 1970. Il ne faudrait pas oublier, non plus, le Kick ’em Jenny près de la Grenade. Ces deux volcans reçoivent régulièrement des missions scientifiques et sont dotés de capteurs qui surveillent leur activité
Le problème est que beaucoup d’autres volcans sous-marins sont situés loin de tout dans des arcs du Pacifique, loin des grandes villes ou des ports où les navires de recherche font escale. Leurs voisins les plus proches sont de petites nations insulaires, comme les Tonga, qui n’ont pas de programmes dédiés à la surveillance volcanique ou sismique. Cela est dû en partie à des problèmes géographiques. Les Tonga, par exemple, sont un alignement d’îles, ce qui n’est pas l’idéal pour trianguler les sources d’ondes sismiques. De plus, le personnel et l’argent font défaut dans ces pays où la population a la taille de celle d’une grande ville américaine. Il existe des solutions à l’échelle internationale, comme le réseau de surveillance sismique de l’USGS, qui offrent une couverture globale et permettent de détecter une activité géologique inhabituelle, mais ces stations sont trop peu nombreuses pour capter l’activité discrète qui précède une éruption sous-marine.
La plupart de ces éruptions n’atteindront jamais la puissance de celle du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, mais l’événement a attiré l’attention sur l’activité de ces volcans. Même si les éruptions du volcan tongien ne se produisent pas souvent, elles ne doivent pas être laissées de côté.
L’éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai a mis en jeu un processus exceptionnellement explosif qui a peu de chance de se reproduire ailleurs. Pendant environ un mois, l’éruption a progressé comme on pouvait s’y attendre. Elle a été d’intensité moyenne, avec des gaz et des cendres. Puis tout a basculé. Les volcanologues pensent que ce changement soudain est le résultat d’au moins deux facteurs. D’une part, il y a eu, en profondeur sous le volcan,le mélange de sources magmatiques de composition chimique légèrement différente. Au fur et à mesure de leur interaction, elles ont produit des gaz qui ont fait augmenter le volume du magma dans son encaissant. Sous cette pression énorme, les roches au-dessus ont commencé à se fracturer, ce qui a permis à l’eau de mer de s’infiltrer. Il s’en est suivi une double explosion très violente qui a expédié d’énormes quantités de matériaux à travers le plancher de la caldeira.
Les deux explosions ont généré de puissants tsunamis. La plus grosse vague est venue plus tard, probablement déclenchée par l’arrivée brutale d’eau dans la cavité d’un kilomètre de profondeur qui s’était soudainement creusée dans le plancher océanique. Ce phénomène a surpris les volcanologues. C’est un nouveau type de menace qui devra être pris en compte sur les autres volcans sous-marins. Auparavant, les scientifiques pensaient que ce type de volcan ne pouvait produire un puissant tsunami que si un côté d’une caldeira s’effondrait.
L’éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai a mis en évidence l’importance et la difficulté de l’étude des volcans sous-marins. Une expédition de cartographie classique implique un grand navire de recherche avec équipage complet, ainsi qu’un sonar multifaisceaux qui cartographie les changements intervenus sur les fonds marins, sans oublier une batterie d’instruments d’échantillonnage d’eau susceptibles de détecter les signes chimiques d’une activité en cours. De plus, placer un bateau au-dessus d’une caldeira potentiellement active présente des risques, pas tellement parce que le volcan peut entrer en éruption, mais parce que les bulles de gaz émises pourraient faire couler un navire.
Les Tonga, qui ont reçu quatre visites scientifiques au cours de l’année écoulée, ne devraient pas recevoir une autre grande mission au cours des prochaines années. Le coût est trop élevé. Il faudra probablement des décennies avant que chaque volcan sous-marin soit surveillé étroitement, même ceux de l’arc des Tonga. C’est dommage car ces expéditions sont l’un des rares moyens dont disposent les scientifiques pour comprendre réellement comment se comportent ces volcans.
Sans de telles expéditions, les scientifiques sont contraints de surveiller les volcans sous-marins à distance. Heureusement, les satellites peuvent repérer les bancs de pierre ponce ainsi que les proliférations d’algues qui sont nourries par les minéraux émis par les volcans. En outre, l’USGS, ainsi que ses homologues australiens, sont en train d’installer autour des Tonga un réseau de capteurs qui peuvent mieux détecter l’activité volcanique. On a une combinaison de stations sismiques avec des capteurs sonores et des webcams qui surveillent les explosions. S’assurer que ce système de surveillance reste opérationnel est un autre défi.
Source : Yahoo Actualités.

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As I put it before, the January 15, 2022 eruption of Hunga Tonga-Ha’apai submarine volcano was exceptional for its power and intensity. Today, scientists realize it has implications for the hundreds of underwater volcanoes dotting the Earth’s oceans. A New Zealand volcanologist aptly said : “The Hunga eruption highlights a new type of volcano, and new types of underwater threats.”

Only a handful of underwater volcanoes have been the site of extensive research. Those include the Axial seamount, which lies a few hundred kilometers off the coast of Oregon and has been studied since the 1970s. One should not forget either Kick ’em Jenny near the Caribbean nation of Grenada. Both receive regular visits from research cruises and are covered with sensors that monitor their activity

The problem is that many more submarine volcanoes are located in remote arcs of the Pacific, far from big cities or ports where research vessels make harbour. Their closest neighbours are small island nations, like Tonga, that do not have dedicated volcano-monitoring programs or much capacity to install seismic monitors. This is in part due to geographical problems. Tonga, for example, is a line of islands, which is not ideal for triangulating the sources of seismic waves. Moreover, staffing and funds can be scarce in countries where the population is similar in size to a large US town. There are international options, like the USGS’ Seismic Monitoring Network, that offer global coverage for unusual geologic activity, but the stations are generally too few and far between to pick up the discreet activity foretelling a coming undersea eruption.

Most of those eruptions are unlikely to match the explosiveness of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, but the event awakened the world to the possibile activity of these volcanoes. Even though eruptiond loke the o,e at the Tongan volcano do not occur often, they should not be neglected.

Hunga Tonga-Hunga Ha’apai involved an unusually explosive process that may not be easily replicated. For about a month, the eruption progressed as expected. It was moderately violent, with gas and ash, but was still manageable. Then everything went sideways. Volcanologists think it was the result of at least two factors, One was the mixing of sources of magma with slightly different chemical compositions deep beneath the volcano. As these interacted, they produced gasses, expanding the volume of the magma within the confines of the rock. Under tremendous pressure, the rocks above began to crack, allowing the cold seawater to seep in. A double massive explosion ensued which blew huge quantities of material out through the top of the caldera.

Both explosions produced big tsunamis. But the biggest wave came later, potentially caused by water flooding into the kilometer-deep hole suddenly dug out of the seafloor. This phenomenon came as a surprise to volcanologists. It isa new type of threat that should be taken into account elsewhere. Previously, scientists thought that this kind of volcano could only really produce a big tsunami if a side of a caldera collapsed.

But the process of understanding the eruption of the Tongan volcano has also highlighted the challenges of studying submarine volcanoes. A typical mapping expedition will involve a large, fully crewed research vessel, equipped with multibeam sonar that maps the seafloor for changes and a battery of water sampling instruments that search for chemical signs of ongoing activity. However, taking a boat over a potentially active caldera is risky, not so much because the volcano might erupt, but because the gas bubbles burbling up might cause a ship to sink.

Even Tonga, which has been visited four times in the past year is not likely to get another big crewed mission in the next few years. The cost is just so high. It would likely take decades to survey every volcano in detail, even just those in the Tongan arc. This is a pity because those expeditions are one of the few ways scientists have to actually see how volcanoes are behaving.

Without such expeditions, scientists have to monitor submarine volcanoes from a distance. Fortunately, satellites can spot pumice rafts as well as algal blooms, which are nurtured by the minerals released by volcanoes. Besides, the USGS, as well as counterparts in Australia, are in the process of installing a network of sensors around Tonga that can better detect volcanic activity, combining seismic stations with sound sensors and webcams that watch for active explosions. Ensuring it stays up and running is another challenge.

Source : Yahoo News.

Source: University of Auckland

Mesure de la gravité sur le Kilauea (Hawaii) // Gravimetry on Kilauea (Hawaii)

L’un des derniers articles ‘Volcano Watch’ du Hawaiian Volcano Observatory (HVO) était dédié à la mesure de la gravité, un paramètre intéressant sur le Kilauea et sur d’autres volcans actifs sur Terre. En effet, les mesures de gravité peuvent être utilisées pour déterminer comment est répartie la masse sous un volcan.

La gravimétrie, autrement dit la mesure de l’accélération de la pesanteur g en un point donné, est une méthode géophysique qui permet d’imager à différentes échelles la structure interne de la Terre. Elle consiste à étudier, de façon indirecte, les variations spatio-temporelles du champ de pesanteur terrestre liées à la distribution des masses au sein de la Terre, à proximité de la surface, voire en surface.

Sur le Kilauea, le HVO effectue des relevés de microgravité de routine pour surveiller l’activité volcanique et déterminer les variations de gravité. Ces fluctuations peuvent indiquer que le magma est en train de s’accumuler dans le réservoir. Les relevés révèlent de petits changements de gravité au fil du temps au niveau des « points de repère » (benchmarks en anglais) judicieusement répartis dans la zone sommitale du volcan.
Le réseau de surveillance gravimétrique du Kilauea comprend une cinquantaine de ces repères. Les relevés annuels de microgravité sont cruciaux pour savoir si l’inflation ou la déflation du volcan est causée par l’intrusion ou le retrait de magma.
Le HVO effectue ces relevés à l’aide de petits instruments de la taille d’une boîte à chaussures, les gravimètres relatifs. Une prise de mesure de la gravité consiste à mettre de niveau une petite plaque de base (moins de 30 cm de diamètre et 7,5 cm de hauteur) sur le sol, à placer le gravimètre sur ce support et à effectuer une mesure de cinq minutes. En plus de la gravité, des mesures de haute précision sont également effectuées à l’aide du GPS.
Les gravimètres sont extrêmement sensibles aux vibrations, de sorte que des surfaces dures et stables, comme des affleurements rocheux, sont nécessaires pour prendre une mesure.
En plus de suivre les variations de la gravité au fil du temps, les levés gravimétriques peuvent être utilisés pour cartographier la densité du sol sous la surface. Les levés Bouguer, nommés d’après un géophysicien français du 18ème siècle, mesurent la gravité à des centaines, voire des milliers d’emplacements à un moment donné et il n’est pas nécessaire d’effectuer un étalonnage reproductible de l’emplacement ou de la précision des levés de microgravité. Les levés Bouguer utilisent les mêmes gravimètres relatifs que ceux utilisés pour les levés en microgravité, mais les mesures sont liées à une « station de base » de référence, où la valeur réelle de la gravité a été déterminée de manière absolue.*
Alors que les levés en microgravité et ceux de Bouguer sont utilisés tous les deux pour déterminer la répartition de la masse sous un volcan, les levés en microgravité seuls sont utilisés pour modéliser les changements de ces paramètres, tandis que les levés Bouguer peuvent révéler les caractéristiques globales des matériaux en profondeur. Les modèles Bouguer bidimensionnels et tridimensionnels peuvent fournir des informations sur la structure géologique des volcans, y compris identifier des réservoirs magmatiques, des intrusions, des glissements de terrain et des effondrements, ainsi que des failles non exposées. Sur le Kilauea, ils ont également été utilisés pour définir les zones probables de circulation de fluides hydrothermaux. Ensemble, les données de microgravité et de Bouguer peuvent donner un aperçu de la structure du sous-sol et des changements au sein de cette structure.
Les levés Bouguer sont effectués sur le Kilauea depuis plus de 70 ans ; les deux dernières campagnes de mesures au sommet ont été réalisées en 2009 et 2020. Au cours du mois de janvier 2023, une équipe de trois personnes a mesuré la gravité au niveau de plus de 400 sites sur le sommet du Kilauea. Cette étude gravimétrique de Bouguer sera la première à étudier les changements importants liés à l’effondrement de la caldeira en 2018. Les résultats de ce levé gravimétrique seront utilisés pour affiner le modèle développé à partir de l’étude sismique prévue pour l’été 2023 au sommet du volcan.
Source : USGS, HVO.

* Le champ de pesanteur théorique en un point est calculé en première approximation à partir de la distance au centre de la Terre, puis on lui applique des corrections prenant en compte la rotation de la Terre sur elle-même, sa non-sphéricité (ellipsoïde), les écarts de densité du
sous-sol et les effets des marées terrestres.

On appelle anomalie gravimétrique de Bouguer, au point considéré sur l’ellipsoïde de référence, l’écart entre le champ de pesanteur terrestre mesuré et le champ de pesanteur théorique.

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One of the latest ‘Volcano Watch’ articles by the Hawaiian Volcano Observatory (HVO) was dedicated to the measurement of gravity, an interesting parameter on Kilauea and on other active volcanoes on Earth. Indeed, measurements of gravity can be used to determine how mass is distributed beneath a volcano.

Gravimetry, or the measurement of the acceleration of gravity g at a given point, is a geophysical method which makes it possible to image the internal structure of the Earth at different scales. It consists in studying, indirectly, the spatio-temporal variations of the Earth’s gravity field linked to the distribution of masses within the Earth, near the surface, or even on the surface.

At Kilauea, HVO performs routine microgravity surveys to monitor volcanic activity and to determine changes in gravity. Those changes can indicate whether magma is accumulating in a volcano’s magma reservoir.The surveys measure small gravity changes over time at “benchmarks” which are precisely controlled locations spread across the volcano’s summit area.

The Kilauea microgravity monitoring network includes about 50 benchmarks. Annual microgravity surveys are crucial in confirming whether ongoing uplift or subsidence is caused by magma intrusion or withdrawal.

HVO conducts these surveys using small, shoebox-sized instruments called relative gravimeters. A single gravity measurement consists of leveling a small baseplate (less than 30 cm in diameter and 7.5 cm tall) on the ground, placing the gravimeter on the baseplate, and making a five-minute measurement. Along with gravity, high-precision positions are also collected using GPS.

Gravimeters are extremely susceptible to vibration, so hard and stable surfaces, like solid rock outcroppings, are required to take a measurement.

In addition to tracking changes over time, gravity surveys can be used to map the density characteristics of the ground beneath the surface. These Bouguer surveys, named after an 18th-century French geophysicist, measure the gravity at hundreds to thousands of locations at a single point in time and do not need the repeatable location benchmarking or precision of microgravity surveys. Bouguer surveys use the same relative gravimeters that are used for microgravity surveys, but measurements are tied to a reference “base station,” where the actual value of gravity has been determined absolutely.*

While both microgravity and Bouguer surveys are used to determine how mass is distributed beneath a volcano , microgravity surveys are used to model changes in these parameters, whereas Bouguer surveys can reveal the overall characteristics of the materials at depth. Two-and three-dimensional Bouguer models can provide insights into the geologic structure of volcanoes including identifying magma reservoirs, intrusions, landslide and collapse piles, and unexposed faults. At Kilauea, they’ve also been used to define likely areas of hydrothermal fluid circulation. Together, microgravity and Bouguer data can see subsurface structure and changes within that structure.

Bouguer surveys have been a routine tool at Kilauea for more than seven decades, with the two most recent summit surveys performed in 2009 and 2000. Over the month of January 2023, a three-person team measured gravity at more than 400 locations around Kilauea’s summit. Their Bouguer gravity survey will be the first to address significant large-scale changes associated with the 2018 caldera collapse. Results from this gravity survey will be used to help refine the model developed from the anticipated summer 2023 Kīlauea summit seismic study.

Source : USGS, HVO.

* The theoretical gravity field at a point is calculated as a first approximation from the distance to the center of the Earth, then corrective terms are applied to it taking into account the rotation of the Earth on itself, its non-sphericity (ellipsoid), the differences in density of the
subsoil and the effects of the earth’s tides.
The Bouguer gravimetric anomaly, at the point considered on the reference ellipsoid, is the difference between the measured terrestrial gravity field and the theoretical gravity field.

Caldeira sommitale du Kilauea après l’effondrement de 2018 (Crédit photo: HVO)